OF FOOD TECHNOLOGY57AUTORESAUTHORSRESUMENPALABRAS CLAVEKEY WORDSSidra espumosa, fermentacin alcohlica, cepa de levadura.Tecnologa del Proceso de Obtencin de Licores de Xilosa a partir de Bagazo de Caa, para la Produccin Biotecnologica de Xilitol Ana Irene Npoles SOLENZALManuel Daz de los ROSErnesto Acosta MARTNEZMercedes Gonzlez BUENOEdilberto Manganelly SANTANA ICIDCA, Va Blanca 804 y Carretera Central, Apartado Postal 4026, C.Habana,e-Mail: anaire@icidca.edu.cuSe ofrece la tecnologa y descripcin tcnica - econmica de obtencin de licores de xilosa pura a partir de la hidrlisis del bagazo de caa de azcar, a un costo de produccin unitario de 458,34 $/ton. La TIRde 64,30% y el retorno de la inversinde 2,83 aos.El objetivo del trabajo ha sido desarrollar la tecnologa del proceso para la obtencin de licores de xilosa y elaborar la estrategia de operacin para el establecimiento de una Planta Industrial de xilosa, materias prima necesaria para la produccin de xilitol, producto que se cotiza en el mercado mundial a razn de $8 000/ton. Elxilitolesunazcaralcoholdeelevadopoderedulcorante,anticariognicoy cariosttico,sustitutodeazcaresparadiabticos,esteproductotienegranimportancia econmica y social por su aplicacin en las industrias farmacutica, qumica, odontolgica y alimentaria.Su produccin esta concebida para 32t/da de licores de xilosa, en 300 das de trabajo.La planta esta concebida como una empresa industrial independiente, que dispone de los servicios y facilidades necesarias para su operacin.El proceso consta de los pasos siguientes: hidrlisis, neutralizacin, concentracin y purificacin de los siropes de xilosa. La calidad de los siropes de xilosa obtenidos mediante este procesocumpleconlosrequerimientosestablecidosparasuposteriorbioconversino hidrogenacin cataltica.El proceso propuesto fue simulado en estado estacionario con el empleo de Microsoft Excel, por lo que se facilita la evaluacin de diversas alternativas tcnico-ecnmica, as como condiciones de operacinBraz. J. Food Technol., 5 SIPAL, maro, 2005OF FOOD TECHNOLOGYet al.581. INTRODUCCINLa diversificacin de la Agroindustria del sector caero ha definido una estrategia de desarrollo, el intercambio entre pases de Amrica Latina y el Caribe para la integracin de la produccinazucareraydesusderivados.Dentrodeestase encuentraelbagazodelacaadeazcarquerepresenta aproximadamente el 22% de la caa de azcar, el cual puede ser utilizado como materia prima para la obtencin de hidrolizados ricosenxilosa,materiaprimaparalaproduccindexilitol (Npoles, A.I., y col., 1993, 1996). El xilitol es un pentitol de cinco carbones, azcarpolialcoholopoliol,quesehaencontradoenla naturaleza en frutas, bayas y vegetales (Hollman, S., et al., 1956), el xilitol que se comercializa actualmente se fabrica a partirdelaxilosaextradadelxilanodelashemicelulosasde productosforestalesyagrcolas.Esunasustanciapura, semejanteenestructuraypropiedadesaladelproducto natural.Su dulzor y contenidocalrico son iguales a los de la sacarosa, es dos veces ms dulce que el sorbitol y casi tres veces masdulcequeelmanitol(Albert,Bard),dossustitutosdel azcar muy comnmente usados.EnelICIDCAsehanrealizadoinvestigacionesde sacarificacin de bagazo y otros residuos de la cosecha caera aescaladelaboratorioyplantapilotoconresultados satisfactorios (Npoles, A. I.,.y col. 1981, 1982, 1987, 1993, 1998.,Ocampo, G., y col.,1979)y en el ao 1974 se realiz en elCombinadodeKirofBulgaria,unapruebaindustrialcon bagazocubanodondequeddemostradalafactibilidad tcnica del proceso de sacarificacin de bagazo (Ocampo, G., 1974). Pretratamiento y almacenamiento de bagazo Hidrlisis NeutralizacinPurificacin ConcentracinLicor de xilosa pura1.1 - Etapas del Proceso TecnolgicoElprocesopropuestofuesimuladoenestado estacionario con el empleo de Microsoft Excel, por lo que se facilitlaevaluacindelaalternativatcnico-ecnmica,as comocondicionesdeoperacin.Elmismoconstadelas siguientes etapas tecnolgicas: Pretratamiento y almacenamiento del bagazo. Hidrlisis del bagazo. Neutralizacin del hidrolizado hemicelulsico de bagazo. Concentracin del hidrolizado. Purificacin del licor de xilosa.1.2Pretratamiento y almacenamiento del bagazo.Lacaadeazcaresuncultivodecampo, contiene de 5 a 15% de suciedad y cenizas antes de arribar al ingenio,partedelacualpasaalbagazo.Estassonmayores cuando se emplea la mecanizacin, haciendo que la remocin de las mismas sea ms difcil.Laslicequecontieneelbagazohacequeseaun materialconciertogradodeabrasividadlocualcrea dificultades adicionales durante el proceso.Por su parte los azcares residuales (sacarosa) en una proporcin de 2 a 3% crean problemas como es el incremento en peso del material y la formacin de un sustrato rico para el creci mi entodel osmi croorgani smosdurantesu almacenamiento,causandoladegradacindelos componentes de inters para el proceso. Por estas razones es necesario realizar el lavado de la fibra. En su composicin morfolgica (Bagazo, Manual de los Derivados), se encuentran presentes la fibra, el meollo y la fraccin de finos y solubles. Para su utilizacin en este proceso esnecesarioutilizarbagazodesmeolladoyaquela granulometra juega un papel importante en las operaciones de impregnacin, secado y en las caractersticas hidrodinmicas. El meolloposeealtocontenidodecenizasquepasanallicore interfieren grandemente en el proceso de purificacin.Seproponequeelprocesodedesmeolladosea realizadoenelpropioingeniocomoestestablecidoenel CentralUruguayyPabloNoriega,enestaetapalamdula separada puede unirse con el bagazo integral o la celolignina residual de este proceso y utilizarse como combustible. 1.3 - Area de preparacin de bagazo.Tecnologa del Proceso de Obtencin de Licores de Xilosa a partir de Bagazo de Caa, para la Produccin Biotecnologica de Xilitol SOLENZAL, A. I. N.Braz. J. Food Technol., 5 SIPAL, maro, 2005OF FOOD TECHNOLOGY591.4Hidrlisis cida.Durantelahidrlisistienelugarlareaccinde formacin de los azcares. Parte de la ceniza que aun contiene el bagazo pasa a la solucin as como la lignina soluble, todas estas sustancias se disuelven en medio cido (Npoles, A.I. y col.,1987)Lasolucinobtenidarecibeelnombrede hidrolizado,elcualesunliquidoamarilloverdoso,sus principalescomponentessonlosazcares:xilosa,glucosay arabinosa, otros componentes que se forman son el furfural, cido actico, y compuestos fenlicos los cuales son nocivos al proceso de hidrogenacin cataltica de la conversin de xilosa a xilitol. El otro producto que se obtiene es el residuo llamado celolignina, el cual puede ser utilizado como combustible del propio proceso. 1.5Hidrlisis cida.Durantelahidrlisistienelugarlareaccinde formacin de los azcares. Parte de la ceniza que aun contiene el bagazo pasa a la solucin as como la lignina soluble, todas estas sustancias se disuelven en medio cido (Npoles, A.I. y col.,1987)Lasolucinobtenidarecibeelnombrede hidrolizado,elcualesunliquidoamarilloverdoso,sus principalescomponentessonlosazcares:xilosa,glucosay arabinosa, otros componentes que se forman son el furfural, cido actico, y compuestos fenlicos los cuales son nocivos al proceso de hidrogenacin cataltica de la conversin de xilosa a xilitol. El otro producto que se obtiene es el residuo llamado celolignina, el cual puede ser utilizado como combustible del propio proceso. El bagazo es alimentado al reactorpor medio de una tolvalacualseencuentracolocadaalabocadeestos. Finalizada la carga se cierra la tapa superior y se termina de adicionar la solucin cida acorde con el hidromdulo fijado y a laconcentracindecidoestablecida.Paraelloelcido sulfrico es transportado desde un tanque a los reactores a travs de una bomba de desplazamiento positivo, pero antes se debe pasar por el filtro con el objetivo de eliminar posibles partculasextraas.Elaguadesmineralizadaalmacenadaen tanques, proveniente de los evaporadoreses bombeada hasta losreactoresdondesealimentaconjuntamenteconelcido sulfrico hasta alcanzar el hidromdulo requerido. Terminadalacargaserealizaelcalentamientocon vapor saturadode la masa hasta la temperatura de trabajo. La hidrlisis del bagazo se realiza en fase estacionaria durante el tiempoestablecidoylaceloligninaresidualselavapara recuperar los azcares que han quedado en ella as como para eliminar el cido residual, la celolignina es descargada hacia los ciclones.1.6Neutralizacin del hidrolizado.El hidrolizado almacenado en tanques intermedios es enviado al proceso de neutralizacin donde se eleva el pH hasta5,5-6,0.Paraestoseutilizaunabateradecolumnas rellenas con resinas de intercambio inicodbilmente anionica en forma OH-, los hidrolizados neutralizados son enviados a tanquesy de aqu son enviados hacia la siguiente etapa.1.7Concentracin del hidrolizado.Laconcentracindeloshidrolizadosserealizaen evaporadores mltiple efecto la concentracin es elevada hasta 45-50oBx,utilizandovapordirecto,elaguaextradaes almacenada en tanques y luego es utilizada para el proceso de hidrlisis, los licores concentrados son almacenados entanques.1.8Concentracin de los hidrolizados.Laconcentracindeloshidrolizadosserealizaen evaporadoresmltipleefectolaconcentracineselevada hasta 45-50o Bx, utilizando vapor directo, el agua extrada es almacenada en tanques yluego es utilizada para el proceso de hidrlisis,loslicoresconcentradossonalmacenadosen tanques.1.9Purificacin de los hidrolizados.Los licores concentrados son enviados a la etapa de et al.Tecnologa del Proceso de Obtencin de Licores de Xilosa a partir de Bagazo de Caa, para la Produccin Biotecnologica de Xilitol SOLENZAL, A. I. N.Braz. J. Food Technol., 5 SIPAL, maro, 2005OF FOOD TECHNOLOGY60purificacin, la cual se realiza mediante columnas rellenas con resinas anionicas y cationicas. Esta es la ltima etapa, la cual es muy importante ya que es necesario obtener un sirope de xilosa puroelcualdebecumplirlosrequisitosparasuposterior bioconversin o hidrogenacin cataltica.1.10 - Purificacin del licor de xilosa.1.11Tratamiento de la celolignina.Para el tratamiento de la celolignina se necesitan dos ciclones para recibir la celolignina extrada de los reactores, la cual se descarga a unconductor que lo lleva hacia la caldera. El soplado de la celolignina se realiza a una presin de 8 Kg. / cm.2.Lostubosdeentradaalciclndebenserdeacero inoxidable preferiblemente de 5 mm de espesor. Posee adems en su interior paletas que arrastran la celolignina por los orificios de salida hacia la banda.ElTornilloextrusorseencargadellavadodela celoligninaresidualconsolucindesosa,(paraneutralizar esta),la celoligninaser mezclada conmeollo y alimentada a la caldera para generar el vapor necesario para el proceso.1.12 - Una turbina.Celolignina residualPROPIEDADPHBrixXilosa (g/L)Glucosa (g/L)Arabinosa (g/L)Furfural (%)Acido actico (%)Cenizas (%)Slidos totales (g)Color ICUMSA (unid.)HIDROLIZADO1,5 - 1,82.5 - 320 - 231,5 - 2,01,3 - 1,80,06 - 0, 160,3 - 0,350,3 - 0,412,8 - 3,819 000 - 23 000LICOR DE XILOSA6 - 6,545 - 50456 - 46025 - 303 - 6< 0,050,3 - 0,5Trazas45 - 5070 - 80Tabla IEspecificaciones delhidrolizado y sirope de xilosa.Las caractersticas del bagazo se muestran en la Tabla II.Elhidrolizadoyelsiropedexilosatendrnlas especificaciones de calidad que se muestran en la Tabla I.EnlaTablaIIIsemuestranlosserviciosyfacilidades auxiliares necesarias para el proceso.Laplantadexilosatendrunlaboratorioqumico dondeserealizarelcontroldelprocesoydeterminarala calidad de los productos. Al bagazo se le determinar:% de fibra, % humedad, %celulosa,%pentosanos,%lignina,%cenizasminerales, solubles en agua caliente. Cantidad de arena, piedras y cuerpos minerales.A los hidrolizados cidos, neutralizado y sirope final: % cido actico, % cenizas, contenido de azcares (g/L) por HPLC, pHyBx,%defurfural,%slidostotalesy%lignina,al hidrolizado cido y al sirope final adems el Color ICUMSA.Al agua de lavado: Contenido de azcares (g/L) por HPLC, Bx y pH.Alacelolignina:%humedad,%pentosanos,% cenizas y pH.Sedispondrdeuntallerparaprestarserviciosde mantenimiento as como de almacenes para el almacenamiento delasmateriasprimas,materiales,piezasyequiposde repuesto.Elsistemadeautomatizacindelaplantaestar basado en el empleo de controladores programables tambin llamadosautmatasydemicrocomputadorasenelnivel superior, equipados ambos con accesorios de programacin e interfacesparalaadquisicindedatosconelobjetivode optimizar el comportamiento del proceso tecnolgico.Almismotiempoelsistemasercapazdemostrar todalainformacinnecesariaparaqueeloperadorpueda 2. CARACTERSTICAS DE PRODUCTOS Y MATERIALESet al.Tecnologa del Proceso de Obtencin de Licores de Xilosa a partir de Bagazo de Caa, para la Produccin Biotecnologica de Xilitol SOLENZAL, A. I. N.Braz. J. Food Technol., 5 SIPAL, maro, 2005VAPOR SATURADOAgua de enfriamientoAgua de procesoElectricidadAguade pozoAcido sulfricoAcido clorhdricoHidrxido de sodioAgua alimentacin a la caldera4 BARTratadaDesmineralizada110, 220 V y trifasicapotable y para trabajos en el laboratorioGrado tcnico 96% pureza33% purezaGrado tcnicoDesgasificada y tratadaTabla IIIServicios y facilidades auxiliares.OF FOOD TECHNOLOGY61cuandoaslorequiera,tomardecisionesdeacuerdoalas condicionesdelprocesoyactuardetalformaquepueda corregir cualquier desviacin. Adems se deber poder obtener de forma on line una base de datos de las variables del proceso para su anlisis y decisin. LaTablaIVmuestraladistribucindelafuerzade trabajo necesaria para la planta y la V la calificacin de la fuerza de trabajo.En la Tabla III se muestran los servicios y facilidades auxiliares necesarias para el proceso.Laplantadexilosatendrunlaboratorioqumico dondeserealizarelcontroldelprocesoydeterminarala calidad de los productos. Al bagazo se le determinar:% de fibra, % humedad, %celulosa,%pentosanos,%lignina,%cenizasminerales, solubles en agua caliente. Cantidad de arena, piedras y cuerpos TIPO DE BAGAZO% de fibra% de humedad% celulosa% pentosanos% lignina% cenizas minerales% solubles en agua caliente% polisacridos fcilmente hidrolizables% polisacridos difcilmente hidrolizables3)Densidad en bulto (t/mCantidad de arena, piedras y cuerpos mineralesDESMEOLLADO70 - 727048 - 5222 - 2520 - 251 - 52,5 - 4,527520,1 - 0,14 (50% humedad)< 0,05 (base bagazo seco)Tabla IICaractersticas del bagazo de caa de azcarLaplantadexilosatendrunlaboratorioqumico dondeserealizarelcontroldelprocesoydeterminarala calidad de los productos. Al bagazo se le determinar:% de fibra, % humedad, %celulosa,%pentosanos,%lignina,%cenizasminerales, solubles en agua caliente. Cantidad de arena, piedras y cuerpos minerales.A los hidrolizados cidos, neutralizado y sirope final: %cidoactico,%cenizas,contenidodeazcares(g/L)por HPLC, pH y Bx, % de furfural, % slidos totales y % lignina, al hidrolizado cido y al sirope final adems el Color ICUMSA.Al agua de lavado: Contenido de azcares (g/L) por HPLC, Bx y pH.Alacelolignina:%humedad,%pentosanos,% cenizas y pH.Sedispondrdeuntallerparaprestarserviciosde manteni mi entoas comodeal macenesparaelalmacenamientodelasmateriasprimas,materiales,piezasy equipos de repuesto.Elsistemadeautomatizacindelaplantaestar basado en el empleo de controladores programables tambin llamadosautmatasydemicrocomputadorasenelnivel superior, equipados ambos con accesorios de programacin e interfacesparalaadquisicindedatosconelobjetivode optimizar el comportamiento del proceso tecnolgico.Almismotiempoelsistemasercapazdemostrar todalainformacinnecesariaparaqueeloperadorpueda cuandoaslorequiera,tomardecisionesdeacuerdoalas condicionesdelprocesoyactuardetalformaquepueda AreaProduccinLaboratorioMantenimientoAdministracinAuxiliares de produccinTotalDiario52514426Enturno1208161216172Total12510212620198Tabla IVDistribucin de la fuerza de trabajo.CalificacinTcnicos UniversitariosTcnicos mediosAdministrativosObreros calificadosObrerosTotalCantidad14411111616198Tabla VCalificacin de la fuerza de trabajo.et al.Tecnologa del Proceso de Obtencin de Licores de Xilosa a partir de Bagazo de Caa, para la Produccin Biotecnologica de Xilitol SOLENZAL, A. I. N.Braz. J. Food Technol., 5 SIPAL, maro, 2005OF FOOD TECHNOLOGY62FORMULAPeso molecularAparienciaSistema cristalinoOlorCarcter pticoRango del punto de fusinPunto de ebullicinSolubilidad en agua (g/100 g de agua)Solubilidad en agua (g/100 g de solucin)Densidad de la solucin(% peso/peso)Absorcin de humedad (4 das a tem. Amb.)Dulzura relativaCalor de solucin (caloras/g)pH en aguaIndice de refraccin a 25C % peso/peso)CH O5 126152,15Polvo cristalino blancoEstable rmbicoInodoroInactivo9296C216C (a 760 mm) 4 C: 122.3; 20 C: 164.4; 25 C: 185.4; 40C: 287.4; 50C: 402.4; 60C: 570.5 C: 85.14 C:55.0; 20C: 62.4; 25C: 64.8; 40C: 73.8; 50C: 80.3; 60 10%: 1.03; 20%: 1.07; 40%: 1.15; 60%: 1.2360% r.h.: 0.05% de aguaIgual a la sacarosa, mayor que el sorbitol y el manitol36.65.4 a 5.610%: 1.3476;20%: 1.3628;30%: 1.3783Tabla VIPropiedades del xilitolMateria primaBagazo integralAcido sulfrico 98%ClH 33%NaOH tcnicoCloruro de sodioAgua crudaPetrleo ElectricidadUM.TonTon3MTonTon3mTon Kw/hIndice de consumo7,80,140,150,160,005137,102.08174.37Precio unitario $7,40185.00300,00450,0034.150,0995,080,02Costo unitario $67,7225,8244,6571,540,1710,87147,493,03Costo total $648,340.00245,324.30426,084.47679,587.151,584.11104,124.171,876.30728,826.93% total12,595,639,7815,610,042,3943,090,66Tabla VIIConsumo de materias primas y productosINVERSINCosto de produccin unitarioTiempo de vida de la plantaPrecio de venta unitarioGanancia anualPeriodo de retorno de la inversinTIR$ 4,471,529.08$ 458.3415 aos$ 800.00$ 3,246,107.362,83 aos64.30%Tabla VIIIResumen de los indicadores fundamentales.corregir cualquier desviacin. Adems se deber poder obtener de forma on line una base de datos de las variables del proceso para su anlisis y decisin. Salarios de operacinSeguridad socialSub-total costo fijoCosto total anual400,000.0044,444.44444,444.44$4,354,692.649,191,0210,21100.00$Costo total% totalLaTablaIVmuestraladistribucindelafuerzade trabajo necesaria para la planta y la V la calificacin de la fuerza de trabajo.2.1Evaluacin tcnico econmica.Serealizelestimadodecostobasndoseenel consumo de las materias primas, productosqumicosy costos El precio de la xilosa (70 grados Brixen el Mercado es de 2642 $/ton (Chory, 1998).et al.Tecnologa del Proceso de Obtencin de Licores de Xilosa a partir de Bagazo de Caa, para la Produccin Biotecnologica de Xilitol SOLENZAL, A. I. N.Braz. J. Food Technol., 5 SIPAL, maro, 2005FLUJO DE CAJA SIROPE DE XILOSAOF FOOD TECHNOLOGY632.1 - Recuperacin de la inversionet al.Tecnologa del Proceso de Obtencin de Licores de Xilosa a partir de Bagazo de Caa, para la Produccin Biotecnologica de Xilitol SOLENZAL, A. I. N.Braz. J. Food Technol., 5 SIPAL, maro, 2005OF FOOD TECHNOLOGY64fijos anuales necesariosparalaproduccin de32tonelada de sirope de xilosa/da.Se ofrece la tecnologa del proceso de obtencin de siropes de xilosa pura a 45-50Bx. A un costo de produccin de $458.34.Lafactibilidaddeobtenersiropesdexilosa/xilitola partir de hidrolizados hemicelulsicos de bagazo abre nuevas posibilidadesalaindustriadelosderivadosdelacaade azcar.Conestasnuevasproduccionesdexilosa/xilitolse crearanfondosexportables,alavezseproducirnnuevos productos para la industria qumica y farmacutica.El proyecto no tiene problemas de liquidez, pues los saldos acumulativos de los flujos de caja para la planificacin financiera son positivos.El periodo de recuperacinde la inversin es de 2,83 aos.3. CONCLUSIONESAlbertBar.Xilitol.BiorescoLtd.Brusseles,Belgian,p 349-367.Bagazo. Manual de los Derivados de la Caa de azcar. Segunda Edicin. Coleccin Geplacea. Serie Diversificacin. p 4757. 1990Bessler,K.;(1997),Biochemistryofxilitol.International Symposium, London.Chory., (1998). Comunicacin personal.Dunning,N.,(1999),GlobalBusinessManagerxylitol, Cultor Food Science.Hollman, S.; Touster, O.,(1956). Journal American Chemistry Society. 78.3544.Kratzl, K.;Silver Nogel, H.;Bassler, (1963), K.Naturwa. 50., 154.5. BIBLIOGRAFALois, C.,(1982), Sistemas y equipos de desmedulado en la industria del bagazo de la caa de azcar. Editorial Cientifico-Tecnica. C.Habana, ppNpoles, A.I., y colaboradores l. (1981)Memorias de la 43 Conferencia de la ATAC. Vol. Derivados,1 parte p 77-80. C.Habana. Npoles,A.I.ycolaboradores.(1982)Estudiodela prehidrolisis cidadel meollo a presin atmosfrica con mezcla de cidosen planta piloto experimental. Seminario ICIDCA. C. Habana.Npoles,A.I.,Lpez,P.R.(1987)Hidrlisisy tratamientosqumicosamaterialescelulsicos.Editorial Cientfico Tcnico. C. Habana.NpolesA.I.,ycolaboradores.,(1993).Obtencinde siropes de xilosa y/o xilosa cristalina.Taller Escalado/93. Centro de Qumica farmacutica. P11. C.Habana. CubaNpoles, A.I .,y colaboradores.,(1996), Revista ICIDCA, Vol.XXX, No.3, p3846.Npoles, A.I., y colaboradores (1998)Aplicacin de las resinasdeintercambioinicoenlosprocesosupstreamen hidrolizados de bagazo de caa de azcar y su utilizacin en bioprocesos.IISymposiumonBiochemicalEngineering Science, Portugal.Ocampo, G.; Et al. Informe acerca de la realizacin de los experimentos de hidrlisis qumica de bagazo cubano en el CombinadoHidroliticoForrajeroS.M.KirovdePleven, Republica Popular de Bulgaria. 1974.Ocampo, G.; Npoles, I.;Suarez,R.;Folleto 7. Seminario Internacional de los Derivados. Marzo, 1979. C.Habana.Cuba.Scheen,A.;Makinen, K.;Ylitalo, K. Acta Odonto Scrand. 32 383 412 (1974).Xyrofin (UK). Sweetness without Tooth Decay.1997et al.Tecnologa del Proceso de Obtencin de Licores de Xilosa a partir de Bagazo de Caa, para la Produccin Biotecnologica de Xilitol SOLENZAL, A. I. N.Braz. J. Food Technol., 5 SIPAL, maro, 2005